太初有道

宇宙瞬息萬變，而物理定律永恒，它們?cè)谟钪嬲Q生前便存在，是它們構(gòu)建了宇宙。實(shí)驗(yàn)過程不可能每天都一樣，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中的萬物都在變化。今天比昨天涼一些，多少會(huì)讓實(shí)驗(yàn)過程發(fā)生變化。地球的磁場在不停地轉(zhuǎn)變方向，多少會(huì)影響實(shí)驗(yàn)。太陽越來越老，越來越亮；月球在逐漸漂離地球—這些事實(shí)也多少會(huì)影響實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)實(shí)世界沒有固定不變的事物，但在物理學(xué)家的思維世界中，定律永遠(yuǎn)為真、永恒不變。這種永恒不是偶然也不是妄念，而是意志的行為。物理學(xué)家只有將現(xiàn)象回溯成永遠(yuǎn)為真的定律，才會(huì)覺得自己真正理解了現(xiàn)象。

如果將實(shí)驗(yàn)設(shè)備打包運(yùn)送到另一個(gè)國家、另一個(gè)緯度，實(shí)驗(yàn)過程會(huì)有些不一樣，因?yàn)楫?dāng)?shù)氐牡卮艌觥⒁雠c原先不同，氣溫可能更高或更低，穿過實(shí)驗(yàn)室的宇宙射線流量也不同。但物理定律依舊完全不變。同樣，認(rèn)為物理定律在這里那里、在一切地點(diǎn)都相同，也是意志的行為：只有將實(shí)驗(yàn)在新老地點(diǎn)的差異歸因?yàn)槟撤N環(huán)境上的差異，并由此通過不可變且普適的物理定律得到這不同的結(jié)果，我們才肯罷休。

堅(jiān)持用無所不在且永遠(yuǎn)正確的定律解釋各種現(xiàn)象，不僅可以使我們穿越宇宙，在空間與時(shí)間中漫游，回到最遙遠(yuǎn)的時(shí)代，還為我們裝備了三件強(qiáng)大的武器，隨我們一同旅行。它們是能量、動(dòng)量和角動(dòng)量。

1915年，埃米 · 諾特證明了一個(gè)重要結(jié)論：如果掌控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的定律在系統(tǒng)平移或旋轉(zhuǎn)后保持不變，那么便可以根據(jù)系統(tǒng)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)的位置和速度求出一個(gè)始終保持不變的量。我們稱這樣的系統(tǒng)擁有一個(gè)“守恒量”。由每處的定律都相同，得到的守恒量是動(dòng)量；由系統(tǒng)不論朝向東西南北還是別的什么方向都沒有變化，得到的守恒量是角動(dòng)量。諾特定理有一個(gè)推論：如果動(dòng)力學(xué)規(guī)律在任何時(shí)候都相同，就存在另一個(gè)守恒量—能量。因此，由物理定律的普適性和不變本質(zhì)可以得到動(dòng)量、角動(dòng)量和能量這三大守恒量。若要理解非常遙遠(yuǎn)或非常久遠(yuǎn)的系統(tǒng)，這三個(gè)量的守恒性質(zhì)將提供很大的幫助。

1930年，沃爾夫?qū)?· 泡利設(shè)想了一種名為中微子的粒子，它會(huì)在核反應(yīng)中帶走動(dòng)量和能量。他之所以做出這個(gè)假設(shè)，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證據(jù)清晰地表明，核反應(yīng)過程中的能量和動(dòng)量不守恒。于是他猜測存在一種不可見的粒子，由此保證能量和動(dòng)量依然守恒。之后大約三十年里，中微子不過是純粹的猜測，但在1956年，它們終于被發(fā)現(xiàn)了。中微子難以探測，因?yàn)樗鼈兣c其他物質(zhì)的反應(yīng)截面很小，只有大約10—46平方米。按照經(jīng)典物理，其他粒子要想與中微子發(fā)生碰撞，就必須經(jīng)過中微子附近大約 米即10—23米以內(nèi)的區(qū)域，這個(gè)距離是質(zhì)子直徑的一億分之一。其實(shí)根據(jù)量子力學(xué)，這么精確的定位沒有任何意義，所以中微子反應(yīng)截面極小的真正意義是，與它們發(fā)生相互作用的可能性極低。盡管如此，中微子在構(gòu)建宇宙的過程中依然發(fā)揮了重要作用。